DE102014111479A1

DE102014111479A1 - Verfahren und Anordnung zum reaktiven Magnetronsputtern

Info

Publication number: DE102014111479A1
Application number: DE102014111479.5A
Authority: DE
Inventors: Volker Linss
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2015-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum reaktiven Magnetronsputtern in einer Vakuumkammer mit einem Rohrmagnetron mit einem Rohrtarget und einem einen Racetrack ausbildenden Magnetsystem, wobei der Racetrack einen in einer Substrattransportrichtung äußeren vorderen Rand und einen äußeren hinteren Rand aufweist, sowie Gaskanäle mit Gaseintrittsöffnungen über die Gasbestandteile in die Vakuumkammer eingelassen werden. Die Aufgabe der Erfindung, eine wesentlich vereinfachte und äußerst genaue Abscheidung von Mischschichten wie Oxinitriden bereitzustellen sowie den Einbau der weniger reaktiven Komponente des Prozessgases gegenüber dem Targetmaterial in die Schicht zu unterstützen, wird dadurch gelöst, dass das zum Material des Rohrtargets reaktivere Reaktivgas an dem Racetrack jeweils vor und hinter dem Rohrmagnetron über die Gaseintrittsöffnungen der Gaskanäle in die Vakuumkammer eingelassen wird und das weniger reaktive Reaktivgas von einer einer Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons derart eingelassen wird, dass es mit dem Material des Rohrtargets mittels Gasleitungsmitteln über eine längere Zeit in Kontakt tritt, als das reaktivere Reaktivgas mit dem Material des Rohrtargets.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern in einer Vakuumkammer einer Vakuumbeschichtungsanlage, mit einem in seiner Längserstreckung quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage angeordneten Rohrmagnetron mit einem Rohrtarget und einem einen Racetrack ausbildenden Magnetsystem, wobei der Racetrack einen in einer Substrattransportrichtung äußeren vorderen Rand und einen äußeren hinteren Rand aufweist, sowie quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage angeordnete Gaskanäle mit Gaseintrittsöffnungen über die zumindest Gasbestandteile eines Prozessgases in die Vakuumkammer eingelassen werden, wobei das Prozessgas als Gasbestandteile mindestens zwei Reaktivgase umfasst.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zum reaktiven Magnetronsputtern in einer Vakuumkammer einer Vakuumbeschichtungsanlage, mit einem in seiner Längserstreckung quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage angeordneten Rohrmagnetron mit einem Rohrtarget und einem einen Racetrack ausbildenden Magnetsystem, mit parallel zur Längserstreckung des Rohrmagnetrons in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron sowie auf der einer Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons angeordneten Gaskanälen mit Gaseintrittsöffnungen, sowie Gasleitungsmitteln auf der der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons.
Zum Abscheiden dünner Schichten kann beispielsweise das reaktive Magnetronsputtern als ein spezielles Verfahren der Kathodenzerstäubung eingesetzt werden. Dabei wird zusätzlich zu einem Arbeitsgas, z.B. Argon, um die Kathode, d.h. um das Targetmaterial zu zerstäuben, mindestens ein reaktives Gas in die Vakuumkammer eingelassen, so dass das zerstäubte Targetmaterial mit dem Reaktivgas chemisch reagiert und sich die Reaktionsprodukte auf dem Substrat abscheiden.
Zur Herstellung gewünschter und homogener Schichteigenschaften wird versucht, die Sputteranordnung möglichst in einem dafür geeigneten Arbeitspunkt zu betreiben und diesen Arbeitspunkt während des gesamten Beschichtungsprozesses konstant zu halten. Der Arbeitspunkt der Sputteranordnung wird durch die Betriebsparameter der Sputteranordnung, z.B. den Generatorgrößen, wie Strom und Spannung zum Betreiben des Magnetrons, dem Gasdruck in der Vakuumkammer, den abzuscheidenden Materialien u.v.m. beeinflusst. Je nachdem welche Schichteigenschaften, z.B. spezifischer elektrischer Widerstand, Schichtdicke, optische Eigenschaften der Schicht, die abzuscheidende Schicht aufweisen soll, können Abweichungen von einem Arbeitspunkt global für den gesamten Sputterprozess mittels einer Regelung ausgeglichen werden oder/und lokal in einem Bereich der Vakuumkammer ausgeglichen werden, in der der Sputterprozess stattfindet, beispielsweise mittels eines geregelten Zuführens eines Gasbestandteils eines Prozessgases mittels einer Prozessgaszuführung in den betreffenden Bereich der Vakuumkammer.
Das Prozessgas umfasst dabei in der Regel ein Arbeitsgas, wobei das Arbeitsgas ein inertes Gas ist und zusätzlich bei reaktiven Sputterprozessen mindestens ein Reaktivgas. Das Reaktivgas kann mittels einer chemischen Reaktion in die abgeschiedene Schicht eingebaut werden. Beispielsweise kann ein Metall oder Halbmetall mittels des Arbeitsgases gesputtert werden und mittels eines Reaktivgases kann eine Metallverbindung oder Halbmetallverbindung in dem Beschichtungsbereich auf ein Substrat abgeschieden werden, z.B. ein Metalloxid oder Halbmetalloxid mit Sauerstoff als Reaktivgas, ein Metallnitrid oder Halbmetallnitrid mit Stickstoff als Reaktivgas, ein Metalloxinitrid oder Halbmetalloxinitrid mit Sauerstoff und Stickstoff als Reaktivgase oder eine andere Metallverbindung oder Halbmetallverbindung mit einem anderen Reaktivgas. Es ist auch möglich den Sputterprozess voll reaktiv zu fahren, d.h. auf ein inertes Arbeitsgas kann verzichtet werden.
In der DE 10 2014 103 732.4 werden verschiedene Regelungsverfahren überblicksmäßig dargestellt, mit denen der Arbeitspunkt des Abscheideprozesses konstant gehalten werden kann. Beispielsweise ist eine Leistungsregelung bekannt, wobei der Arbeitspunkt durch die Regelung der Sputterleistung am Magnetron eindeutig eingestellt oder/und gehalten werden kann. Allerdings ist eine Regelung der Magnetronleistung beim reaktiven Sputtern mit mehreren Reaktivgasen nicht ausreichend, da die verschiedenen Reaktivgase unterschiedlich mit dem Targetmaterial oder/und auf die Betriebsparameter des Magnetrons reagieren. Durch den Einsatz eines zweiten Regelkreises, beispielsweise in Form einer Kaskadenregelung kann die Einstellung eines konstanten Arbeitspunktes und damit die Einstellung homogener Schichteigenschaften verbessert werden.
Aus der DE 10 2014 103 746.4 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mehrere Reaktivgase und mindestens ein Arbeitsgas in die Vakuumkammer eingelassen werden und durch ein geregeltes segmentweises Zuführen dieser Gase in die Prozesskammer das Plasma und damit die abzuscheidenden Schichteigenschaften beeinflusst werden. Dabei werden die zwei Reaktivgase je Gaskanalsegment gemischt und in diesem gemischten Zustand in die Prozesskammer eingelassen. Ein Gaskanalsegment ist dabei als ein Teil des Gaskanals zu verstehen, welcher sich parallel zur Längserstreckung des Rohrmagnetrons befindet, wobei die Gaskanalsegmente in ihrer Längserstreckung damit ebenfalls quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage ausgebildet sind. Durch die Länge der Gaskanalsegmente und der damit durch das jeweilige Gaskanalsegment beeinflussbare Bereich auf der Targetoberfläche sind individuell durch die Anzahl der Gaskanalsegmente entlang der Länge des Rohrmagnetrons einstellbar. In je mehr Gaskanalsegmente der Gaskanal unterteilt ist, desto genauer kann die lokale Kontrolle der Targetoberflächenstöchiometrie sowie eine Plasmaeigenschaft, wie beispielsweise die Plasmastöchiometrie, erfolgen.
Die Plasmaeigenschaften können dabei mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) bestimmt und überwacht werden.
Weiterhin wurde in eigenen Vorversuchen der Anmelderin zur AlON-Abscheidung mittels eines Doppelrohrmagnetrons festgestellt, dass, für eine gute Einstellbarkeit der Querverteilung und damit für die Einstellung homogener Plasmaeigenschaften oder einer homogenen Targetoberflächenstöchiometrie, entlang der Längserstreckung der eingesetzten Rohrmagnetrons, die Reaktivgase möglichst nahe am Target, bzw. sogar am Racetrack, eingelassen werden müssen. Denn weit weg eingelassenes Reaktivgas zeigte in seiner unterschiedlichen Verteilung kaum einen Effekt auf die Querverteilung der Plasmaeigenschaften bzw. Targetoberflächenstöchiometrie. Die räumliche Zuordnung am Racetrack ist so zu verstehen, dass die Gaseintrittsöffnungen der Gaskanäle, d.h. der Übergang der Prozessgasbestandteile aus den Gaskanälen in die Prozesskammer hinein, unmittelbar im Wirkbereich des Racetrack erfolgt. Ein außerhalb des Wirkbereiches des Racetrack eingelassenes Gas würde kaum Einfluss auf die Plasmaeigenschaften im Bereich des Racetrack nehmen.
Weitere Vorversuche zeigten, dass im Falle des Aluminiumsputterns die Reaktivgase Sauerstoff und Stickstoff deutlich unterschiedlich reaktiv sind. Das liegt an den deutlich unterschiedlichen Bildungsenthalpien von Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid. Sauerstoff wird sofort verbraucht und eingebaut, während Stickstoff viel reaktionsträger ist. Das sieht man besonders gut an dem Partialdruck je Reaktivgasfluss pro Gaskanalsegment. Selbst bei starker Stickstoffzufuhr wird angebotener Sauerstoff stark verbraucht und demzufolge in die Schicht eingebaut. Das bedeutet, dass die lokalen Eigenschaften der Targetoberfläche in erster Linie von dem reaktiveren Gas abhängen, dessen Zufuhr also deutlich größeren Einfluss auf die Targetoberflächenstöchiomtrie hat als das weniger reaktive Gas. Auch das Hystereseverhalten des Prozesses wird maßgeblich vom reaktiveren Gas bestimmt. Das heißt, dass im Fall der Oxinitridabscheidung die lokale Kontrolle des Sauerstoffpartialdruckes viel wichtiger ist als die des Stickstoffpartialdruckes. Für gleiche Schichteigenschaften kann eine Abweichung im N₂-Partialdruck durch eine sehr viel kleinere Änderung im O₂-Partialdruck schnell ausgeglichen werden. Das führt dazu, dass die lokale Kontrolle der Targetoberflächenstöchiometrie hauptsächlich über den lokalen Sauerstofffluss erfolgen kann.
Beim MF-Sputtern zeigten sich in weiteren Vorversuchen, dass die lokale Rate sehr stark vom Arbeitspunkt abhängig ist, insbesondere hervorgerufen durch eine unterschiedliche lokale Erwärmung der Vakuumkammer bei verschiedenen Arbeitspunkten. Der Leistungseintrag der Entladung auf das Rohrtarget wird je nach Arbeitspunkt anders verteilt. Um das zu beeinflussen, ist eine sehr lokale Steuerung der Reaktivgasflüsse nötig, weshalb der Gaseinlass möglichst nah am Racetrack erfolgen muss. Unter dem Gaseinlass ist dabei der Übergang der Prozessgasbestandteile aus den Gaskanälen in die Prozesskammer hinein zu verstehen. Der Gaseinlass erfolgt über die sogenannten Gaseintrittsöffnungen in den Gaskanälen. Die Prozesskammer ist gleichbedeutend mit Vakuumkammer.
Bei deutlich unterschiedlich reaktiven Gasen kann eine stärkere Exposition der Targetoberfläche gegenüber dem schwächer reaktiven Gas dessen Einbau in die Schicht fördern. D.h. eine Vorbelegung der Targetoberfläche mit dem weniger reaktiven Gas würde sich vorteilhaft auf die herzustellende Schicht auswirken.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, mit denen eine wesentlich vereinfachte und äußerst genaue Abscheidung von Mischschichten wie Oxinitriden bereitgestellt werden kann, wobei der Einbau der weniger reaktiven Komponente des Prozessgases gegenüber dem Targetmaterial in die Schicht unterstützt werden soll.
Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass das zum Material des Rohrtargets reaktivere Reaktivgas direkt an dem Racetrack jeweils in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron über die Gaseintrittsöffnungen der Gaskanäle in die Vakuumkammer eingelassen wird und das zum Material des Rohrtargets weniger reaktive Reaktivgas derart in die Vakuumkammer eingelassen wird, dass es mit dem Material des Rohrtargets mittels Gasleitungsmitteln in einem Bereich auf der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons zwischen dem in Substrattransportrichtung gesehenen äußeren vorderen Rand und dem äußeren hinteren Rand des Racetracks über eine längere Zeit in Kontakt tritt, als das reaktivere Reaktivgas mit dem Material des Rohrtargets. Damit wird nicht mehr ein Arbeitsgas zum Umspülen der Kathode genutzt, sondern das weniger reaktive Reaktivgas. Ein besonderer Vorteil dieser Kathodenspülung ist es, die Belegung der Targetoberfläche mit dem reaktiveren Reaktivgas, in den meisten Anwendungsfällen handelt es sich um Sauerstoff, zu verhindern, d.h. eine Oxidation der Targetoberfläche und damit ein Abdriften in den oxidischen Modus zu verhindern. Gleichzeitig wird die Targetoberfläche während der Targetrotation, nämlich immer im Bereich zwischen dem in Substrattransportrichtung gesehenen äußeren vorderen Rand und dem äußeren hinteren Rand des Racetracks auf der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons, beispielsweise bei Einsatz von Stickstoff als weniger reaktives Reaktivgas, nitriert, was zu einem besseren Einbau des weniger reaktiven Reaktivgases in die wachsende Schicht führt, da dieser von der Targetoberfläche gesputtert wird.
In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird der Gaseinlass der Prozessgasbestandteile über die Gaseintrittsöffnungen der Gaskanäle geregelt.
Dabei kann der Gasfluss des reaktiveren Reaktivgases als Stellgröße der Regelung eingesetzt werden. Der Vorteil besteht darin, dass durch eine sehr viel kleinere Änderung im Partialdruck des reaktiveren Reaktivgases eine Abweichung im Partialdruck des weniger reaktiven Reaktivgases wesentlich schneller ausgeglichen werden kann und damit eine effiziente und schnelle Nachregelung zur Erzeugung gleicher Schichteigenschaften durchführbar ist.
In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird als das reaktivere Reaktivgas Sauerstoff in die Vakuumkammer eingelassen.
In derselben Ausgestaltung oder einer anderen Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird als das weniger reaktive Reaktivgas Stickstoff in die Vakuumkammer eingelassen.
In beiden vorgenannten Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens kann optional ein Arbeitsgas als ein weiterer Gasbestandteil des Prozessgases, z.B. Argon in die Vakuumkammer eingelassen werden. Aber auch andere inerte Gase wie Xenon, Krypton, Helium oder Neon oder ein Gemisch aus den genannten inerten Gasen sind möglich. Jedoch ist auch ein voll reaktiv gefahrener Prozess, d.h. ohne ein Arbeitsgas, möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das vorgeschlagene Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern folgende Schritte aufweisen: Zunächst werden die Generatorgrößen zum Betreiben des Rohrmagnetrons eingestellt, wodurch ein bestimmter Arbeitsbereich bzw. Arbeitspunkt eingestellt wird. Ebenso wird ein konstanter Arbeitsgasfluss eingestellt, wobei die Verwendung eines Arbeitsgases optional ist, und als weniger reaktives Reaktivgas wird Stickstoff aus einer ersten Reaktivgasquelle über die Gaseintrittsöffnungen des Gaskanals auf der der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons in die Vakuumkammer eingelassen. Anschließend erfolgt das Einlassen von Sauerstoff aus einer zweiten Reaktivgasquelle in die Vakuumkammer über die Gaseintrittsöffnungen der Gaskanäle in Längsrichtung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron, wobei die Gasflüsse in Längsrichtung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron und entlang der Längserstreckung des Rohrmagnetrons quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage unter Berücksichtigung einer Plasmaeigenschaft im Verlauf des Beschichtungsverfahrens eingestellt werden. Die Plasmaeigenschaften werden in unmittelbarer Nähe des Targets gemessen, wobei die Gasflüsse der Reaktivgase und des eventuell verwendeten Arbeitsgases derart eingestellt werden, dass homogene Plasmaeigenschaften über alle Targetbereiche eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Plasmaeigenschaft an einem zu einem Gaskanalsegment als Teil des segmentierten Gaskanals gehörenden Targetbereiches gemessen. Ein Gaskanalsegment ist dabei als ein Teil des Gaskanals zu verstehen, welcher sich parallel zur Längserstreckung des Rohrmagnetrons befindet, wobei die Gaskanalsegmente in ihrer Längserstreckung damit ebenfalls quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage ausgebildet sind. Durch die Länge der Gaskanalsegmente und der damit durch das jeweilige Gaskanalsegment beeinflussbare Bereich auf der Targetoberfläche sind individuell durch die Anzahl der Gaskanalsegmente entlang der Länge des Rohrmagnetrons einstellbar. In je mehr Gaskanalsegmente der Gaskanal unterteilt ist, desto genauer kann die lokale Kontrolle der Targetoberflächenstöchiometrie sowie eine Plasmaeigenschaft, wie beispielsweise die Plasmastöchiometrie, erfolgen. Dabei besitzt jedes Gaskanalsegment Gaseintrittsöffnungen, aus denen die Prozessgasbestandteile in die Vakuumkammer treten, so dass entlang eines Gaskanalsegmentes durch die Gaseintrittsöffnungen ein gleichmäßiger Gaseinlass erfolgen kann. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines segmentierten Gaskanals mit den Gaseintrittsöffnungen.
Die Regelung der Reaktivgasflüsse erfolgt bevorzugt als eine Art Kaskadenregelung, wobei die Regelung des weniger reaktiven Reaktivgases als Grobeinstellung in Längserstreckung zum Rohrmagnetron erfolgt und eine Feinjustierung mittels der Regelung der Gasflüsse je Gaskanalsegment für das reaktivere Reaktivgas sowohl in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron als auch entlang der Längserstreckung des Rohrmagnetrons, so dass über den gesamten Targetbereich homogene Plasmaeigenschaften einfach und effizient eingestellt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird unter Berücksichtigung mindestens einer ermittelten Plasmaeigenschaft der Gasfluss je Gaskanalsegment mindestens eines Reaktivgases eingestellt und damit die Plasmaeigenschaft geregelt. Der Gasfluss durch die Gaseintrittsöffnungen pro Gaskanalsegment ist dann gleich groß.
In einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens werden unter Berücksichtigung mindestens einer ermittelten Plasmaeigenschaft die Gasflüsse der Reaktivgase in den Gaskanalsegmenten in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron und auf der der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons individuell in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron und in Längserstreckung des Rohrmagnetrons individuell geregelt. Damit kann unter Berücksichtigung der ermittelten Plasmaeigenschaft, beispielsweise der Plasmastöchiometrie, durch Regelung der Gasflüsse in Längserstreckung des Rohrmagnetrons also quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage geregelt werden, so dass eine homogene Plasmastöchiometrie erzielt wird, als auch in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage, so dass auch eine homogene Plasmastöchiometrie vor und hinter dem Rohrmagnetron in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage geregelt wird.
Anordnungsseitig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Gaseintrittsöffnungen der Gaskanäle in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron am Racetracks angeordnet sind und die Gaseintrittsöffnungen des Gaskanals auf der der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons angeordnet und die Gasleitungsmittel derart ausgebildet sind, dass das Rohrmagnetron umspülbar ist, wobei der Gaskanal auf der der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons mit einer ersten Reaktivgasquelle und die Gaskanäle in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron mit einer zweiten Reaktivgasquelle verbunden sind. Dabei wird unter den Gaseintrittsöffnungen der Gaskanäle der Übergangsbereich aus einem Gaskanal in die Vakuumkammer verstanden, in dem der jeweilige Gasbestandteil des Prozessgases in die Vakuumkammer tritt. Die Gaseintrittsöffnungen für die beiden Reaktivgase an denen der Gaseinlass erfolgt, können auch derart ausgebildet sein, dass der Eintritt des weniger reaktiven Reaktivgases und des reaktiveren Reaktivgases in die Vakuumkammer unmittelbar am selben Ort erfolgt, d.h. die Gaseinlässe zusammenfallen, wobei das weniger reaktive Reaktivgas aufgrund der Gasführungsmittel eine wesentlich längere Einwirkzeit auf die Targetoberfläche ausübt und mit dieser länger in Wechselwirkung treten kann. Die längere Einwirkzeit des weniger reaktiven Reaktivgases ergibt sich daraus, dass dieses aufgrund der Gasleitungsmittel im Bereich auf der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons zwischen dem in Substrattransportrichtung gesehenen äußeren vorderen Rand und dem äußeren hinteren Rand des Racetracks über eine längere Zeit mit dem Targetmaterial in Kontakt tritt, als dies für das reaktivere Reaktivgas der Fall ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung sind die Gaskanäle in ihrer Längserstreckung in Gaskanalsegmente geteilt ausgebildet. In je mehr Gaskanalsegmente die Gaskanäle unterteilt sind, desto genauer kann die lokale Kontrolle z.B. der Targetoberflächenstöchiometrie sowie eine Plasmaeigenschaft, wie beispielsweise die Plasmastöchiometrie, erfolgen. Jedes Gaskanalsegment besitzt jeweils Gaseintrittsöffnungen, aus denen die Prozessgasbestandteile in die Vakuumkammer treten, so dass entlang eines Gaskanalsegmentes durch die Gaseintrittsöffnungen ein gleichmäßiger Gaseinlass erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung sind die für das Sputtern am Einzelrohrmagnetron notwendigen Anoden als Gegenelektroden zum Target des Rohrmagnetrons in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron angeordnet. Dabei sind die Gasleitungsmittel derart um die Anoden geführt ausgebildet, dass die Anoden mit dem Arbeitsgas umspülbar sind. Somit kann eine Beschichtung der Anoden mit dem abgesputterten Material verhindert und die Lebensdauer der Anoden verlängert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung werden die Gasleitungsmittel für das weniger reaktives Reaktivgas von den Gasleitungsmitteln für das Arbeitsgas zwiebelschalenförmig um das Rohrmagnetron umschlossen.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung ist das Rohrmagnetron als ein Doppelrohrmagnetron ausgebildet. Dabei fungieren beide Rohrmagnetrons im MF-Betrieb oder gepulsten DC-Betrieb sowohl als Kathode als auch als Anode, so dass zusätzliche Anoden, die in vorteilhafter Weise mit einem Arbeitsgas umspült werden müssten, nicht notwendig sind.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Rohrmagnetrons mit zwiebelschalenförmig angeordneten Gasleitungsmitteln für das weniger reaktive Reaktivgas, das reaktivere Reaktivgas und das Arbeitsgas;
2 eine schematische Anordnung der Gaskanalsegmente der Gaskanäle in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage vor und hinter dem Rohrmagnetron in der Draufsicht;
3 eine schematische Darstellung eines segmentierten Gaskanals mit den Gaseintrittsöffnungen.
In einem Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens und der Anordnung, welche das Verfahren nutzt, kann durch den folgenden Verfahrensablauf beschrieben werden:
Bei einer konstanten Saugleistung und konstantem Argonfluss wird N₂ auf der der Substrattransportebene 9 abgewandten Seite des Rohrmagnetron 1 als eine Art Spülgas eingelassen. Dabei wird durch den segmentierten 8 Gaskanal 7 die Regelung der Gasflüsse pro Gaskanalsegment 8 derart geregelt, dass eine homogene Plasmastöchiometrie in Längserstreckung des Rohrmagnetrons 1 eingestellt werden kann. Über die Gaskanalsegmente 8 in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage 10 vor und hinter dem Rohrmagnetron 1 wird Sauerstoff zum Bereitstellen des nötigen Sauerstoffes und zur Feineinstellung der Plasmastöchiometrie am Target eingelassen, wobei die Plasmastöchiometrie lokal mit optischer Emissionsspektroskopie überprüft werden kann. Wird als Targetmaterial Aluminium eingesetzt und soll eine AlON- oder eine AlOxNy-Schicht abgeschieden werden, so kann die Prozessregelung wie folgt ablaufen: Die Kurzzeitstabilität, d.h. das Verhindern eines kurzzeitigen Wegkippens des Arbeitspunktes aufgrund eines instabilen Übergangsbereiches beim reaktiven Magnetronsputtern, wird über die Generatorspannung mit der das Rohrtarget betrieben wird, geregelt. Die Gesamtleistung wird zunächst über den Reaktivgasgesamtfluss, also z.B. O₂ + N₂ geregelt. Gleichzeitig wird die Plasmastöchiometrie aber lokal mittels optischer Emissionsspektroskopie kontrolliert und die Aufteilung des O₂-Flusses in Längserstreckung des Rohrmagnetrons 1 und damit des Targets so eingestellt, dass eine homogene Plasmastöchiometrie erreicht wird. Hierbei kann auch grob die Verteilung des N₂-Flusses als Quereinstellung, also über die Länge des Rohrmagnetrons 1 quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage 10, mit in die Regelung aufgenommen werden.
Eine zweite Variante wäre, die Sputterleistung als Regelgröße nur über den O₂-Gesamtfluss einzustellen. Der O₂-Gesamtfluss stellt dabei die Summer aller O₂-Flüsse, die durch Gaskanalsegmente 8 in die Vakuumkammer eingelassen werden, dar. Der N₂-Fluss bleibt dabei stabil (im Sinne einer Kurzzeitstabilität) und über den O₂-Gesamtfluss wird die Sputterleistung geregelt, und die Aufteilung des O₂-Gesamtfluss über die Gaskanalsegmente 8 sorgt in einer zweiten Regelschleife für eine (mittels OES bestimmte) Gleichverteilung der Plasmastöchiometrie. Der N₂-Fluss und/oder die Targetspannung müssen dann für eine Langzeitstabilität, d.h. dem Ausgleichen einer langsamen Drift des Arbeitspunktes über die Targetlebensdauer nachgeführt werden, was aus OES-Daten abgeleitet wird. In dieser Regelung bleibt das Verhältnis N₂/O₂-Fluss auch nicht kurzzeitstabil.
1 zeigt eine besondere Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung. Die Gasleitungsmittel 4b, 4c, mit welchem die Gasbestandteile des Prozessgases in einer vorteilhaften Ausführung getrennt voneinander in die Vakuumkammer 11 eingelassen werden, sind „zwiebelschalenförmig“ um das Rohrmagnetron 1 angeordnet. Dabei wird das weniger reaktive Reaktivgas derart durch die Gasleitungsmittel 4c geführt, dass es das Rohrtarget umspült und eine Vorbelegung der Targetoberfläche im Bereich zwischen dem in Substrattransportrichtung gesehenen äußeren vorderen Rand und dem äußeren hinteren Rand des Racetracks auf der Substrattransportebene abgewandten Seite des Rohrmagnetrons mit dem weniger reaktiven Reaktivgas möglich ist. Die Führung des reaktiveren Reaktivgases erfolgt derart, dass das reaktivere Reaktivgas erst direkt am Racetrack 2 über die Gaseintrittsöffnungen in die Vakuumkammer eintritt. Abschließend legen sich die Gasleitungsmittel 4b um die Gasleitungsmittel 4c derart, dass das in die Vakuumkammer 11 eingelassene Arbeitsgas 5 die Anoden 3 umspült, um damit eine Belegung der Anoden 3 zu verhindern und deren Lebensdauer zu erhöhen.
2 zeigt eine schematische Anordnung der Gaskanalsegmente 8 der Gaskanäle 7 in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage 10 vor und hinter dem Rohrmagnetron 1 in einer Draufsicht. Dabei wird je nach Anzahl der Gaskanalsegmente 8 in Längserstreckung des Rohrmagnetrons 1 ein zugehöriger Targetbereich durch den Gaseinlass der jeweiligen Gasbestandteile des Prozessgases in die Vakuumkammer beeinflusst. Die Plasmastöchiometrie in den einzelnen Targetbereichen kann durch eine Regelung der Gasflüsse in den jeweiligen Gaskanalsegmenten homogen über die gesamte Targetoberfläche eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Rohrmagnetron
2: Racetrack
2a: äußerer vorderer Rand des Racetrack
2b: äußerer hinterer Rand des Racetrack
3: Anode
4b: Gasleitungsmittel für das Arbeitsgas
4c: Gasleitungsmittel für das weniger reaktive Reaktivgas
5: Arbeitsgas
6: Reaktivgase
7: Gaskanal
8: Gaskanalsegment
9: Substrattransportebene
10: Vakuumbeschichtungsanlage
11: Vakuumkammer
12: Gaseintrittsöffnung
13: erste Reaktivgasquelle
14: zweite Reaktivgasquelle
15: Substrattransportrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014103732 [0006]
DE 102014103746 [0007]

Claims

Verfahren zum reaktiven Magnetronsputtern in einer Vakuumkammer (11) einer Vakuumbeschichtungsanlage (10), mit einem in seiner Längserstreckung quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) angeordneten Rohrmagnetron (1) mit einem Rohrtarget und einem einen Racetrack (2) ausbildenden Magnetsystem, wobei der Racetrack einen in einer Substrattransportrichtung (15) äußeren vorderen Rand und einen äußeren hinteren Rand aufweist, sowie quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) angeordnete Gaskanäle (7) mit Gaseintrittsöffnungen (11) über die zumindest Gasbestandteile eines Prozessgases in die Vakuumkammer (11) eingelassen werden, wobei das Prozessgas als Gasbestandteile mindestens zwei Reaktivgase (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Material des Rohrtargets reaktivere Reaktivgas an dem Racetrack (2) jeweils in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1) über die Gaseintrittsöffnungen (12) der Gaskanäle (7) in die Vakuumkammer (11) eingelassen wird und das zum Material des Rohrtargets weniger reaktive Reaktivgas derart in die Vakuumkammer (11) eingelassen wird, dass es mit dem Material des Rohrtargets mittels Gasleitungsmitteln (4c) in einem Bereich auf der Substrattransportebene (9) abgewandten Seite des Rohrmagnetrons (1) zwischen dem in Substrattransportrichtung (15) gesehenen äußeren vorderen Rand (2a) und dem äußeren hinteren Rand (2b) des Racetracks (2) über eine längere Zeit in Kontakt tritt, als das reaktivere Reaktivgas mit dem Material des Rohrtargets.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass der Prozessgasbestandteile über die Gaseintrittsöffnungen (12) der Gaskanäle (7) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasfluss des reaktiveren Reaktivgases als Stellgröße der Regelung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das reaktivere Reaktivgas Sauerstoff in die Vakuumkammer (11) eingelassen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das weniger reaktive Reaktivgas Stickstoff in die Vakuumkammer (11) eingelassen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasbestandteil des Prozessgases ein Arbeitsgas (5) ist, wobei als Arbeitsgas Argon in die Vakuumkammer (11) eingelassen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Magnetronsputtern folgende Schritte aufweist: – Einstellung der Generatorgrößen zum Betreiben des Rohrmagnetrons (1), – Einstellen eines konstanten Arbeitsgasflusses, – Einlassen von Stickstoff aus einer ersten Reaktivgasquelle über die Gaseintrittsöffnungen des Gaskanals (7) auf der der Substrattransportebene (9) abgewandten Seite des Rohrmagnetrons (1), – Einlassen von Sauerstoff aus einer zweiten Reaktivgasquelle über die Gaseintrittsöffnungen (12) der Gaskanäle (7) in Längsrichtung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1), – Einstellung der Gasflüsse in Längsrichtung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1) und entlang der Längserstreckung des Rohrmagnetrons (1) quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) unter Berücksichtigung einer Plasmaeigenschaft, – Messung der Plasmaeigenschaften am Racetrack (2) in unmittelbarer Nähe des Targets, – Einstellung der Gasflüsse der Reaktivgase (6) und des Arbeitsgases (5) derart, dass homogene Plasmaeigenschaften über alle Targetbereiche eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmaeigenschaft an einem zu einem Gaskanalsegment (8) als Teil eines segmentierten Gaskanals (7) gehörenden Targetbereich gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung mindestens einer ermittelten Plasmaeigenschaft der Gasfluss je Gaskanalsegment (8) mindestens eines Reaktivgases eingestellt und damit die Plasmaeigenschaft geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung mindestens einer ermittelten Plasmaeigenschaft die Gasflüsse der Reaktivgase in den Gaskanalsegmenten (8) in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1) und auf der der Substrattransportebene (9) abgewandten Seite des Rohrmagnetrons (1) individuell in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1) und in Längserstreckung des Rohrmagnetrons (1) individuell geregelt werden.
Anordnung zum reaktiven Magnetronsputtern in einer Vakuumkammer (11) einer Vakuumbeschichtungsanlage (10), mit einem in seiner Längserstreckung quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) angeordneten Rohrmagnetron (1) mit einem Rohrtarget und einem einen Racetrack (2) ausbildenden Magnetsystem, mit parallel zur Längserstreckung des Rohrmagnetrons (1) in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1) sowie auf der einer Substrattransportebene (9) abgewandten Seite des Rohrmagnetrons (1) angeordneten Gaskanälen (7) mit Gaseintrittsöffnungen (12), sowie Gasleitungsmittel (4c) auf der der Substrattransportebene (9) abgewandten Seite des Rohrmagnetrons (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseintrittsöffnungen der Gaskanäle (7) in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1) am Racetrack angeordnet sind und die Gaseintrittsöffnungen (12) des Gaskanals (7) auf der der Substrattransportebene (9) abgewandten Seite des Rohrmagnetrons (1) angeordnet und die Gasleitungsmittel (4c) derart ausgebildet sind, dass das Rohrmagnetron (1) durch die Gasleitungsmittel (4c) umspülbar ist, wobei der Gaskanal (7) auf der der Substrattransportebene (9) abgewandten Seite des Rohrmagnetrons (1) mit einer ersten Reaktivgasquelle (13) und die Gaskanäle (7) in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1) mit einer zweiten Reaktivgasquelle (14) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskanäle (7) in ihrer Längserstreckung in Gaskanalsegmente (8) geteilt ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Anoden (3) als Gegenelektroden zum Target des Rohrmagnetrons (1) in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage (10) vor und hinter dem Rohrmagnetron (1) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gasleitungsmittel (4b) derart um die Anoden (3) geführt ausgebildet sind, dass die Anoden (3) mit einem Arbeitsgas (5) umspülbar sind.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitungsmittel (4c) für ein weniger reaktives Reaktivgas von den Gasleitungsmitteln (4b) für das Arbeitsgas (5) zwiebelschalenförmig um das Rohrmagnetron (1) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrmagnetron (1) als ein Doppelrohrmagnetron ausgebildet ist.